独辟蹊径:基于MALDI成像的空间代谢流分析策略

2024-01-31 10:16:43, 质谱成像先锋队 布鲁克(北京)科技有限公司-质谱仪器


ASMS Poster# 布鲁克创新方案

肿瘤机制研究新思路

质谱成像结合13C稳定同位素示踪法

1前言

瓦博格效应(Warburg effect)被认为是肿瘤代谢的一大特征,其内在机制十分复杂,虽近年来的研究提出并证实了相应的一些调控机制,但依然还有很多疑问亟待解决,因此,研究瓦博格效应中关键的调控节点有助于揭示肿瘤细胞转移的机制,为肿瘤的靶向性治疗提供很好的方向和策略。目前,肿瘤细胞中如何通过三羧酸(TCA)循环将葡萄糖转化为乳酸盐仍不明确,虽然磁共振波谱(MRS,Magnetic Resonance Spectroscopy)和正电子发射断层扫描(PET,Positron Emission Topography)等技术已广泛应用于肿瘤代谢通路的研究,但在通量上仍有一定的局限性。本文以MALDI质谱成像为主要分析技术,结合13C稳定同位素示踪法,直接呈现出胶质母细胞瘤中13C6-葡萄糖的TCA代谢物的空间分布,有效地揭示了胶质瘤组织中TCA循环活性的下调特征。

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实验方法

取病人来源的异种移植(PDX)的小鼠分别在0min和30min通过腹腔引入13C6-葡萄糖,在60min后宰杀小鼠并获取器官,制备小鼠脑胶质瘤组织的冷冻切片。将胶质瘤切片转移到导电载玻片上,使用HTX M3+自动化基质喷涂仪喷涂N-(1-萘)乙二胺盐酸盐(NEDC)基质。通过timsTOF fleX MALDI-2、在负模式下进行20µm空间分辨率的MALDI成像实验,使用SCiLS™ Lab 2023a进行数据可视化,并在MetaboScape® 2023a进行分子注释。在SCiLS REST API通过R语言提取母离子和所有碳同位素的强度信息。

图1. 基于MALDI质谱成像的分析流程

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实验结果与讨论

图2. A) 空白组和给药组切片的光学图片,其中深色区域为肿瘤;B) 空间聚类分析划分的肿瘤区域和健康区域;C) 苹果酸盐[M+0]峰的离子热图;D) 苹果酸盐[M+1]峰的离子热图;E)主成分分析得分图。

MALDI成像常常产生海量的数据,需要借助专业的软件才能实现有效的数据挖掘。布鲁克推出的SCiLS Lab软件,集数据分析和数据可视化为一身。首先,SCiLS Lab对空白组和给药组的鼠脑胶质瘤组织的成像数据进行空间聚类分析,将组织根据分子组成的差异性进行区域划分。如图2B所示,空白组切片可以划分为橙色和绿色两个区域,分别对应肿瘤区域和健康组织区域,而在给药组切片中,划分的蓝色和黄色区域分别是健康组织区域和肿瘤区域。在此基础之上,通过SCiLS Lab的“空间共定位”功能,可以进一步筛选出在肿瘤区域具有高表达的分子。图2C和2D为苹果酸的M+0和M+1峰的离子热图,苹果酸在空白组和给药组的肿瘤切片中均具有显著表达。由于健康组织和肿瘤组织具有不同的分子表型,因此基于MALDI成像得到的分子图谱可以快速地识别出空白组和给药组中肿瘤区域。

图3. 空白组和给药组中肿瘤区域和健康区域差异性分析得到的ROC曲线

通过SCiLS Lab中的ROC分析、T检验可以快速筛选并验证肿瘤组织和健康组织的差异性分子。图3为ROC分析找到的差异性分子,AUC值越高,差异越明显。以柠檬酸(m/z 191.0195)、谷氨酸盐(m/z 146.0469)等为例,作为TCA循环中的重要代谢产物,它们均可以有效地区分空白组和给药组中的肿瘤区域和健康区域。

图4. TCA循环中代谢物的离子热图

此外,SCiLS Lab还提供了API扩展功能接口,可以方便用户进行更灵活的数据处理。在本文中,通过R语言将所有母离子以及碳同位素的强度信息提取出来,从而对肿瘤组织中TCA循环中代谢物进行定量分析。图4为TCA循环中典型代谢物的离子热图,参与循环的苹果酸等在肿瘤区域的空间表达显著高于健康组织区域。图5为在13C6-葡萄糖摄入后,乳酸和苹果酸对应的代谢产物M+0、M+1、M+2、M+3和M+4的同位素相对强度比值;与健康组织相比,肿瘤组织中M+0的比例更高,而M+2、M+3和M+4的比例较低。结合上面两部分数据,说明胶质瘤组织较健康区域TCA循环的活性发生显著下调。

图5. 健康-空白组、肿瘤-空白组、健康-给药组和肿瘤-给药组中TCA代谢物的相对强度比值(数据经过LC-MS验证)

4结论

本文展示了基于布鲁克timsTOF fleX MALDI-2质谱仪的空间代谢流分析流程。timsTOF fleX MALDI-2质谱仪可以实现高空间分辨率的质谱成像数据采集,配套的SCiLS Lab软件具有多元化统计分析功能和API扩展接口功能,可以对MALDI成像数据进行深入的分子信息挖掘。与传统组学流程相比,MALDI成像独特的“定位功能”优势能够获取动态条件下某一代谢通路在组织某个部位的含量变化,为理解肿瘤代谢过程提供了直观、全面的动态分析视角,将对肿瘤的空间代谢研究工作起到极大的推动作用。

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